Лавина электронов и условие самостоятельности разряда
Рассмотрим промежуток между двумя электродами в газе. Если в этом промежутке появился электрон, то, двигаясь к аноду, при достаточной напряженности электрического поля он может при столкновении ионизировать молекулу газа. Образовавшийся при этом свободный электрон вместе с начальным электроном ионизирует новые молекулы. Число свободных электронов будет лавинообразно возрастать. Процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов. В процессе ионизации одновременно с электронами образуются положительные ионы. Вследствие значительной разницы в подвижностях электронов и ионов за время движения лавины до анода положительные ионы практически остаются на месте их возникновения.
В природе постоянно действуют такие ионизаторы, как космические частицы, радиоактивное излучение Земли, ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря им в промежутке между электродами непрерывно возникают свободные электроны. Под действием приложенного к промежутку напряжения в нем будут непрерывно образовываться лавины электронов. Движение заряженных частиц в промежутке создает ток разряда между электродами. Если исключить действие внешнего ионизатора, ток в промежутке прекратится. Такой процесс называется несамостоятельным разрядом.
Для того, чтобы разряд стал самостоятельным и мог существовать в отсутствие внешнего ионизатора, необходимо, чтобы в результате развития первоначальной лавины появлялся, по крайней мере, один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Таким образом, условие самостоятельности разряда можно записать в общем виде как
или в случае однородного поля
где L — расстояние между электродами.
В резко неоднородном электрическом поле условие самостоятельности разряда может не выполняться во всём межэлектродном промежутке и в тоже время выполняться в узкой зоне вблизи электрода. Это означает, что ионизационные процессы концентрируются в этой зоне и создают характерное свечение, называемое коронным разрядом или короной.
В процессе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов, при этом напряженность электрического поля на фронте лавины возрастает, а в задней ее части уменьшается. В какой-то момент напряженность в задней части лавины уменьшается настолько, что становится невозможной ударная ионизация. Находящиеся в хвосте лавины отставшие электроны вместе с положительными ионами создают плазменное образование, дающее начало возникновению стримерного канала. Характерной особенностью стримера является наличие избыточного заряда на конце, создающего местное усиление электрического поля и обеспечивающего непрерывное удлинение плазменного канала.
С ростом приложенного к промежутку напряжения длина стримера увеличивается и возрастает емкость между стримером и противоположным электродом. Это приводит к увеличению тока в канале стримера и разогреву его до температуры, достаточной для термической ионизации. Термически ионизированная часть канала стримера называется лидером.
Концентрация заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем в стримере, поэтому падение напряжения на нем меньше. В связи с этим у стримера, часть канала которого преобразовалась в лидер, потенциал головки возрастает и создаются условия для продвижения стримера до противоположного электрода и преобразования этого стримера в лидер.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
1.4. Лавина электронов
Если в газе между двумя электродами, образующими однородное поле, появляется свободный электрон, то, двигаясь к аноду при достаточной напряженности электрического поля, он может ионизировать атом или молекулу газа при столкновении (см. рис. 1.3, а ). В результате этого появляется новый (еще один) электрон и положительный ион. Этот электрон вместе с начальным ионизируют новые атомы и молекулы, и число свободных электронов непрерывно нарастает. Этот процесс получил название лавины электронов .
Интенсивность размножения электронов в лавине характеризуется
коэффициентом ударной ионизации α , равным числу ионизаций, произ-
водимых электроном на пути в 1 см по направлению действия электрического поля. Другое название коэффициента ударной ионизации – первый коэффициент Таунсенда.
В процессе развития лавины одновременно с электронами образуются положительные ионы. Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке к катоду. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке. На рис. 1.5 приведено распределение напряженности электрического поля в промежутке при прохождении его лавиной электронов. Видно, что напряженность электрического поля на фронте лавины возрастает, в средней части, где находятся остающиеся положительные ионы, уменьшается, а вблизи катода — вновь незначительно увеличивается.
E Л
Рис. 1.5. Искажение электрического поля в промежутке,
создаваемое лавиной: 1 – средняя напряженность без лавины; 2 – результирующая напряженность
Для описания лавинного процесса необходимо определить число электронов в лавине. Предположим, что из катода за счет внешнего ионизатора вырывается n 0 электронов (например, n 0 = 1). На расстоянии x от катода число электронов возросло до n (рис. 1.6). Увеличение числа электронов dn на пути dx будет равно
Интегрируя (1.11) по n от 1 до n и по x от 0 до x , получим
В однородном поле, где коэффициент ударной ионизации α = const, т. к. напряженность в любой точке промежутка одинакова, будем иметь
Рис. 1.6. Схема определения числа электронов в лавине
Выражение (1.14) дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам. Это явление характеризуется коэффициентом прилипания η . Коэффициент прилипания зависит от рода газа (электроотрицательный или электроположительный). Тогда число электронов в лавине с учетом прилипания будет равно
Если n 0 больше 1, тогда (1.15) будет иметь вид
n = n e ( α − η ) x .
Число электронов в лавине n > 10 7 .
1.5. Условие самостоятельности разряда
После прохождения первой лавины в промежутке лавинный процесс может возобновляться, а может и затухнуть. Для возобновления лавинного процесса нужен хотя бы один вторичный эффективный электрон . Если этот электрон получается в результате внешнего ионизатора, разряд называется несамостоятельным , т. е. если убрать внешний ионизатор, то лавинный процесс не возобновится и разряд затухнет. Если же вторичный эффективный электрон возникает в результате прохождения первичной лавины, разряд называется самостоятельным . Разряд из несамостоятельного может перейти в самостоятельный, если увеличить приложенное к электродам напряжение.
При самостоятельной форме разряда лавинный процесс возобновляется, поскольку сама первичная лавина (и последующие вторичные тоже) создает условие для возобновления процесса. Условия возобновления:
1) оставшиеся после прохождения лавины положительные ионы, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают эмиссию электронов из катода;
2) возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить как к фотоионизации в объеме промежутка, так и к фотоэмиссии электронов из катода. Образующиеся таким образом вторичные электроны приводят снова к образованию лавин в разрядном промежутке.
Количество положительных ионов, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине (1.15), исключая начальный электрон, т. е.
Электроны, выбитые из катода, не все участвуют в образовании вторичных лавин. Часть электронов рекомбинирует с положительными ионами. Суммарный процесс образования вторичных электронов из катода характеризуется коэффициентом вторичной ионизации γ (второй коэффициент Таунсенда). Коэффициент γ зависит от материала катода, состава и давления газа, и всегда γ << 1. Количество вторичных электронов, образованных после прохождения первичной лавины, при самостоятельной форме разряда будет
ЛАВИНА ЭЛЕКТРОННАЯ
— неуклонно нарастающий процесс размножения электронов в результате ионизации атомов и молекул, как правило, электронным ударом; является главнейшим элементом электрич. пробоя газов. В большинстве случаев Л. э. развивается в электрич. или эл.-магн. поле, хотя возможно лавинное размножение электронов чисто тепловой природы, напр. в ударной волне.
Л. э. начинается от небольшого числа первичных (затравочных) электронов, может даже от одного. Электрон разгоняется в пост. поле или приобретает энергию колебаний, если поле осциллирующее. При упругом столкновении с атомом он меняет направление своего движения и приобретённая между двумя последоват. столкновениями энергия переходит в энергию его хаотич. движения. Так, малыми порциями, происходит набор энергии электрона в поле. Когда энергия достигает величины, немного превышающей потенциал ионизации, электрон при столкновении ионизует атом, теряя при этом свою энергию. В результате появляются два медленных электрона, к-рые набирают энергию в поле, и т. д. Развитие Л. э. тормозится за счёт потерь энергии электронами при упругих и неупругих столкновениях (на электронное возбуждение атомов и молекул, возбуждение молекулярных колебаний и вращений) и вследствие потерь самих электронов в результате их диффузионного уход» из области действия поля или прилипания к электроотрицат. молекулам. Рекомбинация ионов и электронов также может ограничить рост Л. э., но не в начале её развития, а лишь когда появится очень много положит. ионов. В редких случаях возможна ионизация в два этапа: электрон только возбуждает атом, а последний ионизуется внеш. оптич. излучением, или происходит ассоциативная ионизация при объединении возбуждённого атома с невозбуждённым в молекулярный ион. Обычно в пост. поле, ВЧ-поле и СВЧ-поле возбуждение атомов ударами электронов только тормозит развитие Л. э., т. к. электрон теряет энергию на возбуждение и вынужден снова её набирать. Исключение составляют нек-рые газовые смеси, в к-рых происходит резонансная передача возбуждения одного типа атома на ионизацию другого (см. Пеннинга эффект), и световые поля достаточно высокой интенсивности и частоты, в к-рых возбуждённый атом ионизуется в результате многоквантового фотоэффекта (см. Оптические разряды).
Важнейшей характеристикой Л. э., определяющей скорость её нарастания во времени, является частота ионизации v i — число электронов, к-рое в ср. рождает один электрон в 1 с. Если в момент t имеется N e электронов, то
где W 0 — число затравочных электронов в нач. момент t=0. Частота ионизации электронным ударом зависит от энергетич. спектра п( )электронов в лавине (т. е. от поля) и определяется ф-лой
где 
— сечение ионизации электроном энергии е. Когда ср. энергия 
спектра существенно меньше потенциала ионизации I, приближённо можно принять 
. В случае максвелловской ф-ции распределения
где Т е — электронная темп-pa, N a — плотность атомов; константа С — в табл. 1.
Л. э. развивается более или менее независимо в каждом небольшом элементе пространства только в быстро-осциллирующих полях (СВЧ-поле, оптическом), когда амплитуда колебаний электронов мала. В пост. поле Е Л. э. развивается гл. обр. вдоль направления поля, и в этом случае она характеризуется ионизационным коэффициентом Таунсенда 
(см -1 ) — числом электронов, к-рое электрон рождает на 1 см пути вдоль поля: 
, где 
— скорость дрейфа электрона в поле. 
, как и 
, можно сравнительно легко измерить на опыте, а затем найти 
Коэф. характеризует закон размножения электронов в лавине, распространяющейся вдоль пола между катодом и анодом:
где N 0 — число электронов, вышедших с катода ( х=0). В диапазоне сильных полей, пробивающих газовые промежутки между электродами, для существует эмпирич. ф-ла Таунсенда, учитывающая подобия законы по давлению р:
Константы А и В представлены в табл. 1. Величины 
и 
чрезвычайно резко уменьшаются при уменьшении поля (рис. 1). Расчётные и эксперим. данные по скоростям ионизации относятся обычно к пост. полю. В случае быстропеременного поля частоты 
частоту ионизации 
можно оценить по известной частоте ионизации 
в пост. поле, пересчитав по ф-ле
где Е 0 — амплитуда осциллирующего поля, = Ь р — частота упругих столкновений электрона с атомами. Ориентировочные значения коэф. пропорциональности Ь для оценок см. в табл. 1.
Лавина электронов
Если в газе между двумя электродами появляется свободный электрон, то, набирая энергию при движению к аноду, согласно условию (1.5) он может ионизировать атом или молекулу газа при столкновении. В результате этого многократно повторяющегося процесса появляются новые свободные электроны, число которых непрерывно растет. Этот лавинообразный процесс называют лавиной электронов.
Интенсивность размножения электронов в лавине характеризуется коэффициентом ударной ионизации ос, который равен числу ионизаций, производимых электроном на единице длины пути в 1 см по направлению электрического поля.
При развитии лавины одновременно с электронами образуются положительные ионы. Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке к катоду. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке.
Для описания процесса образования электронной лавины необходимо определить число электронов в лавине. Предположим, что из катода за счет воздействия внешнего ионизатора эмитируется п0 электронов. На расстоянии X от катода число электронов возросло дол (рис. 1.4).
Увеличение числа электронов на пути dx будет равно
Рис. 1.4. Схема развития лавины:
а — внешний вид распределения зарядов в лавине; б — схема определения числа электронов в лавине
Интегрируя (1.8) по п от п0 до п и по х от 0 до х, получим
В однородном поле, где коэффициент ударной ионизации а = const, так как напряженность в любой точке промежутка одинакова, будем иметь
Выражение (1.10) дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам. Прилипание — это процесс захвата нейтральной частицей электрона с образованием отрицательного иона. Это явление характеризуется коэффициентом прилипания Г). Тогда число электронов в лавине с учетом прилипания будет равно
После прохождения первой лавины в промежутке лавинный процесс может возобновиться, а может и затухнуть. Для возобновления развития лавины нужен хотя бы один вторичный эффективный электрон. Эффективным называется электрон, способный к осуществлению ионизационного размножения. Если этот электрон появляется от внешнего ионизатора, разряд называется несамостоятельным. То есть в отсутствие внешнего ионизатора развитие лавины не возобновится и разряд погаснет. Если же вторичный, эффективный электрон возникает в результате прохождения первичной лавины, разряд называется самостоятельным. Несамостоятельный разряд может перейти в самостоятельный, если увеличить приложенное к электродам напряжение.
При самостоятельной форме разряда развитие лавины возобновляется, поскольку первичная и последующие лавины создают условия для их возобновления. Эти условия состоят в следующем:
- 1) возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить к фотоионизации или фотоэмиссии электронов из катода. Вторичные электроны могут образовывать лавины в разрядном промежутке;
- 2) оставшиеся после прохождения лавины положительные ионы, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают вторичную эмиссию электронов из катода.
Количество положительных ионов оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине, исключая начальный электрон, т.е.
Не все эмитированные из катода электроны участвуют в образовании вторичных лавин, часть электронов рекомбинирует с положительными ионами. Суммарный процесс образования вторичных электронов из катода, которые могут участвовать в процессах вторичной ионизации, характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии у. Коэффициент у зависит от материала катода, состава и давления газа, и всегда у « 1. Количество вторичных электронов, образованных после прохождения лавины, определяется следующим соотношением:
Уравнение (1.13) есть условие самостоятельности разряда в газовом промежутке. Оно показывает, что после прохождения первичной лавины необходимо, как минимум, образование одного эффективного электрона, способного привести к появлению вторичной лавины, и, соответственно, может развиться лавинный разряд в газе. Такая форма разряда характерна для пониженных давлений.